1-3型水泥基壓電復(fù)合材料的性能及其應(yīng)用研究.pdf

1、水泥基壓電復(fù)合材料是以水泥為基體材料，壓電陶瓷為功能體復(fù)合而成的一種材料。它具有與混凝土相容性良好、強(qiáng)度高、耐久性好、感知靈敏度高及成本低等特點(diǎn)，它的研制在改造傳統(tǒng)水泥基材料、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域并推進(jìn)各類土木工程結(jié)構(gòu)向智能化方向發(fā)展也具有廣泛的工程應(yīng)用意義，因而在土木工程領(lǐng)域中愈來愈受到人們的重視。 本文采用切割-澆注法制備了1-3型水泥基壓電復(fù)合材料，系統(tǒng)的研究了基體、形狀參數(shù)及陶瓷柱非周期性對復(fù)合材料的壓電、介電、機(jī)電耦合、機(jī)械

2、品質(zhì)因數(shù)及聲阻抗等性能的影響。具體工作及結(jié)論如下： 研究了不同基體對復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，聚合物為基體的壓電復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d33明顯高于其它五種基體的；不同基體對壓電電壓常數(shù)g33影響較小，但是以普通硅酸鹽水泥的為最小。在PLN陶瓷含量相同的條件下，不同基體壓電復(fù)合材料的Kt波動(dòng)不大，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；不同基體的壓電復(fù)合材料其介電常數(shù)和介電損耗較純基體明顯增大，以聚合物為基體的壓電復(fù)合材料的介電常數(shù)和介電損耗較

3、高。在-40℃～90℃之間，介電常數(shù)隨著溫度的升高而升高；在20℃～90℃之間，介電損耗隨著溫度的升高急劇升高。 研究了陶瓷柱寬厚比w/t對復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明：隨著PMN壓電陶瓷柱寬厚比w/t的增大，壓電電壓常數(shù)g33變化不大，在一定范圍內(nèi)波動(dòng)；壓電應(yīng)變常數(shù)d33和相對介電常數(shù)εr逐漸減小，當(dāng)厚度為2.5mm時(shí)，復(fù)合材料的介電常數(shù)可降為1800；厚度機(jī)電耦合系數(shù)Kt呈增大的趨勢，寬厚比w/t為0．38時(shí)，Kt可達(dá)到61

4、.66％；復(fù)合材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm隨PMN陶瓷柱寬厚比w/t的增加而減小，最小值為11.85，不到單相PMN的Qm值(為70)的1/4；隨著寬厚比w/t的增大，復(fù)合材料的聲阻抗增大。 研究了陶瓷柱長寬比l/w對復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，隨著PMN陶瓷柱長寬比的增大，復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d33和相對介電常數(shù)εr逐漸增大；壓電電壓常數(shù)g33介電損耗tanδ逐漸減??；水泥基壓電復(fù)合材料的平面機(jī)電耦合系數(shù)Kp基本保持不變，在41

5、％～43％之間波動(dòng)；而厚度機(jī)電耦合系數(shù)Kt則呈現(xiàn)出增大趨勢，當(dāng)長寬比為2.33時(shí)，水泥基壓電復(fù)合材料的機(jī)電耦合系數(shù)最大為63.86％；復(fù)合材料的聲阻抗呈明顯的上升趨勢。 研究了陶瓷柱非周期排列的1-3型水泥基壓電復(fù)合材料的性能。結(jié)果表明，隨著試樣厚度的增加，非周期性復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d33增大，壓電電壓常數(shù)g33減??；隨陶瓷相體積分?jǐn)?shù)的增加，壓電復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d33和相對介電常數(shù)εr增大，壓電電壓常數(shù)g33減?。惑w積

6、分?jǐn)?shù)相近時(shí)，周期性和非周期性壓電復(fù)合材料的厚度機(jī)電耦合系數(shù)值Kt接近，說明厚度振動(dòng)受壓電相排列的周期性影響不大；非周期性壓電復(fù)合材料的聲阻抗隨復(fù)合材料厚度的增加而減?。浑S陶瓷相體積分?jǐn)?shù)的增大，聲阻抗增大。 研究了1-3-2型水泥基壓電復(fù)合材料的性能。結(jié)果顯示，在相同尺寸和組分下，1-3-2型水泥基壓電復(fù)合材料的壓電和介電性能參數(shù)與1-3型的相差不大，但1-3-2型制備工藝大為簡化。壓電復(fù)合材料的諧振峰明顯少于壓電陶瓷，主振動(dòng)遠(yuǎn)大

7、于其它振動(dòng)，帶寬較陶瓷的增大；與1-3型復(fù)合材料相比較，1-3-2型復(fù)合材料的諧振頻率較低，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm小，聲阻抗Z較大。 對1-3型水泥基壓電復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明，1-3型水泥基壓電傳感器的第一個(gè)接收信號的峰值明顯比純壓電陶瓷傳感器的大；1-3型水泥基壓電傳感器在500kHz以內(nèi)有很平的反應(yīng)譜(寬頻)；用水泥基壓電傳感器定位的裂縫位置與實(shí)際的裂縫位置非常吻合。因此，水泥基壓電傳感器非常適于混凝土裂縫的檢測